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结构优化设计及其在隧道工程中的应用
| 论文题名： | 结构优化设计及其在隧道工程中的应用 |
| 关键词： | 隧道工程;结构设计;数学规划;变密度法;有限元模型 |
| 摘要： | 传统的结构设计,实际上指的是结构分析,其过程大致为假设-分析-校核-重新设计。设计者根据设计要求和实践经验通过判断去创造设计方案,然后进行强度、刚度、稳定性等方面的计算校核,若不满足则重新设计,虽然目的也是要选择一个合理的方案,但它仍然只属分析的范畴,且只能凭设计者的经验作很少几次重复以通过“校核”为满足。结构优化指的是结构综合,其过程大致可归纳为:假定-分析-搜索-最优设计四个阶段。其中的搜索过程是修改并优化的过程。它首先判断设计方案是否达到最优(包括满足各种给定的条件),如若不是,则按某种规则进行修改,以求逐步达到预定的最优指标。由于结构优化设计能够带来巨大的经济效益,随着不断更新的设计技术和日益加剧的产品竞争,这一领域的研宄受到了越来越多的重视。 本文分为三个层次对结构优化的理论及方法进行了研宄:分别为尺寸优化、形状优化和拓扑优化。对尺寸优化设计的准则法及数学规划法进行了深入的研宄和对比,探讨了两种优化理论的基本概念与基本方法,阐明了几种方法的计算过程及其优缺点分析。对形状优化的常用的几种优化理论进行了介绍,对拓扑优化中的均匀化理论进行了分析介绍,并且应用有限元软件给出了基于变密度法的算例。 并以某隧道衬砌结构为模型,运用ANSYS有限元软件对其进行尺寸优化及拓扑优化的设计。通过尺寸优化前后结构弯矩、轴力以及变形的对比分析,表明了尺寸优化设计可以在保证结构安全适用的前提下减少结构的体积,并且均匀化了结构的安全系数,可以使得内力分布更加合理,提高了材料的利用率。从而降低了工程造价,取得良好的经济效益,对实际工程有着重要的意义。而拓扑优化设计则是对材料进行了重新分配,以寻求在给定的边界条件和外荷载的情况下结构的最佳传力路径。在省去不同比例材料情况下,对隧道衬砌结构进行拓扑优化设计,通过对比几种情况的拓扑优化结果,以及隧道衬砌设计的概念图,对实际工程在理论上有着指导性的意义。最后对隧道洞室的断面形状进行优化,得出在不同侧压比情况下不同的隧道断面形状,不但对实际工程有着参考性意义,也为以后更好地对隧道结构进行研宄计算提供了思路和依据。 |
| 作者： | 孙冠晓 |
| 专业： | 结构工程 |
| 导师： | 邢心魁 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 桂林理工大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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